[0001] Die Erfindung betrifft ein Radarverfahren zur Messung von Abständen und Relativgeschwindigkeiten
zwischen einem Fahrzeug und einem oder mehreren Hindernissen mit den Merkmalen des
Oberbegriffes des Anspruches 1.
[0002] Aus dem Stand der Technik der DE 42 44 608 A1 ist ein CW-Radarverfahren (CW-continous
ware) bekannt, bei dem das von einem Oszillator erzeugte Sendesignal in frequenzkonstante,
ohne Abstand aufeinander folgende Bursts (Signal-Abschnitte) zerlegt ist. Das an den
Hindernissen reflektierte Empfangssignal wird dabei in einem zweikanaligen IQ-Mischer
mit dem Sendesignal in das Basisband heruntergemischt. Der IQ-Mischer liefert ein
komplexes, relativ niederfrequentes Mischerausgangssignal, welches zur Gewinnung von
Signalen für die Abstände und Relativgeschwindigkeiten mehrerer Hindernisse genutzt
wird.
[0003] Während eines Messzyklusses werden bei dem beschriebenen Verfahren vier Messungen
mit unterschiedlichen Sendesignalen durchgeführt. In einer ersten Messung erzeugt
der Oszillatior zeitlich aufeinander folgende Bursts mit einer Folge von einem Minimal-
auf einen Maximalwert linear inkremental ansteigender Frequenz und danach eine Folge
von Bursts mit von dem Maximalwert auf den Minimalwert linear inkremental abfallender
Frequenz, wobei in beiden Messungen am Ende jedes reflektierten Bursts ein komplexer
Abtastwert erfaßt und durch Mischen mit den Sendesignal-Bursts erste bzw. zweite Inphase-
und Quadraturphasesignale für die Abstände und die Relativgeschwindigkeiten gewonnen
werden. Während einer dritten Messung besteht das Sendesignal aus frequenzgleichen
Bursts. Hier wird am Ende jedes reflektierten Bursts ein komplexer Abtastwert zur
Gewinnung dritter Inphase- und Quadraturphasesignale für die Relativgeschwindigkeiten
zwischen dem Fahrzeug und den Hindernissen durch Mischen mit den Bursts des Sendesignals
erfaßt. Dabei wird eine Folge von Bursts mit monoton steigender oder fallender Steigung
insgesamt als Chirp bezeichnet.
[0004] Alle Mischerausgangssignale der drei Messungen werden mit Fouriertransformationen
in relativgeschwindigkeits- und abstandsabhängige Frequenzwerte umgewandelt, die in
einem Entfernungs-Relativgeschwindigkeits-Diagramm drei Scharen sich schneidender
Geraden darstellen, deren Schnittpunkte potentielle Hindernisse wiedergeben. Dabei
kann es sich um tatsächliche Hindernisse oder aber auch um Geisterhindernisse handeln,
die durch die mathematische Verknüpfung hervorgerufen wurden. Aus diesem Grund wird
während einer vierten Messung ein Sendesignal ausgesendet, dessen Bursts jedoch nicht
monoton einander folgen, sondern entsprechend den Koeffizienten eines Restklassen-Codes
angeordnet sind. Das während der vierten Messung reflektierte Empfangssignal setzt
sich aus der Überlagerung sämtlicher Objektreflexionen mit unterschiedlicher Amplitude
und Phase zusammen.
[0005] Die Überprüfung auf Richtigkeit und Eindeutigkeit aller Schnittpunktparameter der
Geraden im Geschwindigkeits-Abstands-Diagramm, die sich aus ersten drei Messungen
ergeben, erfolgt dadurch, daß für jedes der potentiellen Hindernisse ein Mischerausgangssollsignal
für das Sendesignal der vierten Messung generiert wird, das dann mit dem Istmischerausgangssignal
der vierten Messung korreliert wird. Die besonderen Korrelationseigenschaften des
Restklassen-Codes liefern nur für reale Hindernisse einen hohen Korrelationswert und
einen niedrigen für Geisterhindernisse.
[0006] Die Korrelation beginnt mit dem amplitudenstärksten Objekt. Wird ein reales Hindernis
ermittelt, so wird das entsprechende Mischerausgangssollsignal vom Istmischerausgangssignal
subtrahiert und die Korrelation in fallender Reihenfolge der Amplitude fortgesetzt,
wobei während der Korrelation mit einer normierten Amplitude des Mischerausgangssollsignals
gearbeitet wird und nur der Phasenanteil der komplexen Signale betrachtet wird.
[0007] Der bei den bekannten Verfahren verwendete IQ-Mischer zur Gewinnung von Inphase-
und Quadraturphasesignalen bedingt jedoch eine Reihe von Fehlern, so beispielsweise
Offsetfehler, Übersprechen des Modulationssignals auf dem I- und Q- Ausgang, Unsymmetrien
der Empfindlichkeit von I- und Q-Ausgang und Orthogonalfehlern zwischen dem I- und
Q-Ausgang, so daß eine komplizierte Vorbehandlung der Radardaten im Zeitbereich sowie
eine Fehlerkalibierung notwendig wird.
[0008] Die DE 195 38 309 A1, von der die vorliegende Erfindung ausgeht, offenbart ein gattungsgemäßes
Radarverfahren, bei dem die Sendesignalform und Art der Auswertung der Meßsignale
im wesentlichen so durchgeführt werden, wie zuvor anhand der DE 42 44 608 A1 beschrieben
worden ist. Die Demodulation der an den Hindemissen reflektierten Empfangssignale
erfolgt hier jedoch mit Hilfe der ausgesendeten Sendesignale durch nur einen einkanaligen
Mischer, dessen Ausgangssignal nicht das Signal einer Phasensondern Amplitudenkurve
ist. Dieses wiederum bildet die Grundlage für eine Signalauswertung, bei der aus dem
Sendesignal durch Anwendung einer abgestimmten Sendesignalform mit Hilfe von nicht
komplex abgetasteten Radar-Rohdaten die Ermittlung von Zielparametern durchgeführt
werden kann und diese Zielparameter als richtig oder falsch eingestuft werden können.
[0009] Nachteilig bei dem zuvor genannten Auswerteverfahren ist, daß die Eliminierung der
Geisterhindernisse ebenfalls nur mit Hilfe einer besonderen Korrelationskodierung
erfolgt. Diese führt gerade bei einer Vielzahl von Hindemissen zu einer hohen Fehlerrate,
da aufgrund der hohen Anzahl von Geisterhindernissen diese nicht zuverlässig unterdrückt
werden können.
[0010] Daher liegt der vorliegenden Erfindung das technische Problem zugrunde, das bekannte
CW-Radarverfahren weiter zu vereinfachen, um ein schnelles und gleichzeitig zuverlässiges
Auswerten des Mischerausgangssignals zu erreichen.
[0011] Das zuvor aufgezeichnete technische Problem wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren
mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst.
[0012] Erfindungsgemäß werden also statt der bisher verwendeten drei Scharen von Geraden
im Entfernungs-Relativgeschwindigkeits-Diagramm nunmehr mindestens vier Scharen von
Geraden erzeugt. Ein gültiger Schnittpunkt, also ein reales Hindernis, wird dann erkannt,
wenn vier jeweils zu einen der Chirps gehörende Geraden einen gemeinsamen Schnittpunkt
bilden, wobei wegen bestehender Messungenauigkeiten ein Schnittpunkt dann als gültig
bezeichnet wird, wenn alle vier Geraden einen vorgegebenen Flächenabschnitt innerhalb
des Entferungs-Relativgeschwindigkeits-Diagramm schneiden. Dieser Flächenabschnitt
wird dadurch definiert, daß von zwei Geraden ein Schnittpunkt berechnet wird, um den
ein Umgebungsbereich gebildet wird, durch den die beiden anderen Geraden verlaufen
müssen. Dieser Umgebungsbereich wird mathematisch auch als ε-Bereich bezeichnet, wobei
ε ein Parameter für die Größe des Umgebungsbereiches ist.
[0013] Die Schnittpunkte werden somit zweifach überprüft, so daß nur noch ein sehr geringer
Geisterzielanteil bei den ermittelten und überprüften Schnittpunkten vorhanden ist.
Das Auswerteverfahren ist dabei nicht nur zuverlässig, sondern wegen der einfachen
mathematischen Beziehungen auch schnell durchzuführen. Die aus dem Stand der Technik
bekannte Korrelationskodierung ist nicht mehr erforderlich.
[0014] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen
angeführt. Im folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnung ein erfindungsgemäßes
Ausführungsbeispiel des Radarverfahrens im Detail beschrieben.
[0015] In der Zeichnung zeigen
- Figur 1
- das Blockschaltbild einer bei dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzten Radareinrichtung,
- Figur 2a,b
- den Verlauf verschiedener Sendesignale während eines Messzyklusses,
- Figur 3
- die Verläufe der Sende- und Empfangssignale der Messung A und B und
- Figur 4
- die während der Messungen A, B, C und D ermittelten Frequenzen in einem Entferungs-Relativgeschwindigkeits-Diagramm.
[0016] Betrachtet man zunächst das Blockschaltbild der Fig. 1, so gliedert sich die Radareinrichtung
in einen Hochfrequenz- oder Mikrowellenteil H und einen Signalverarbeitungsteil S.
Der spannungsgesteuerte Oszillator 1, der in überlicher Weise ein kontinuierliches
Mikrowellensignal erzeugt, dessen Frequenz beispielsweise mittels einer Varactordiode
über mehrere 150 MHz proportional zu einer Steuer-Modulationsspannung f(t) verändert
werden kann, dient dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erzeugung eines Sendesignals
s(t) mit jeweils frequenzkonstanten Bursts, die über den Koppler 2 und den Zirkulator
3, dessen Arbeitsrichtung durch den Pfeil angegeben ist, zur Sende- und Empfangs-Antenne
4 gelangen. Mit 5 ist ein auf der Fahrbahn vor dem mit der Radareinrichtung ausgerüsteten
Fahrzeug befindliches Hindernis bezeichnet. Die Wege des Sendesignale s(t) und der
Empfangssignale e(t) sind durch Pfeile gekennzeichnet.
Der Zirkulator 3 trennt die Signale s(t) von den reflektierten Empfangsignalen e(t),
so daß nur die Empfangssignale zu dem rechten Eingang des einkanaligen Mischers 6
gelangen, während zu dem in der Figur linken Eingang die durch den Koppler 2 ausgekoppelten
Sendesignale s(t) geführt werden. Der einkanalige Mischer 6 bildet die Differenzfrequenz
zwischen Sende- und Empfangssignal als reelles Mischerausgangssignal m(t), das zunächst
in analoger Form vorliegt. In dem nachgeschalteten Analog-Digital-Wandler 7 erfolgt
eine Umsetzung in digitale Signale, die der Signalverarbeitungseinrichtung 9 zugeführt
werden, an deren Ausgänge 10 bis 12 Signalwerte für den jeweiligen Abstand, die Relativgeschwindigkeit
und die Amplitude, d.h. die Hindernisgröße vorliegen. Die Signalverarbeitungseinheit
9, der der Taktgeber 13 zugeordnet ist, dient seinerseits über den Code-Generator
14 zur Erzeugung der Steuerspannung f(t) für den Oszillator 1.
[0017] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Sendesignal s(t), dessen Sendefrequenz
f über die Zeit t in Fig. 2 dargestellt ist, in vier unterschiedlichen Blöcken A,
B, C und D ausgesendet. Alle vier Messungen erfolgen dabei sequenziell, d. h., es
erfolgt zunächst die Messung A, dann entsprechend die Messung B und sofort. Die in
den Figuren 2a und 2b dargestellten Frequenzverläufe der Blöcke A-D, die auch als
Chirps bezeichnet werden, sind dadurch charakterisiert, daß in den verschiedenen Chirps
A-D die Frequenzverläufe über die Zeit unterschiedliche Steigungen m
1, m
2, m
3 und m
4 aufweisen. Ein wichtiges Kriterium ist dabei, daß alle vier Steigungen m
1 bis m
4 unterschiedlich gewählt sind.
[0018] Ein typischer Verlauf ist in Figur 2a dargestellt, bei dem in den beiden Chirps A
und B der Oszillator 1 der Radareinrichtung durch eine entsprechende Steuerspannung
so angesteuert wird, daß er zunächst ausgehend von einer Mindestfrequenz eine linear
auf einen Maximalwert ansteigende Frequenzfolge erzeugt. Während des Chirps B erzeugt
der Oszillator 1 dagegen ausgehend von der Maximalfrequenz eine lineare Frequenzfolge
mit entgegengesetzter Steigung, so daß schließlich wieder die Mindestfrequenz erreicht
wird. Dem gegenüber erfolgt während des Chirps C ein Frequenzverlauf mit einer Steigung
m
3 = 0. Schließlich erfolgt während des Chirps D ein linearer Frequenzanstieg ausgehend
von der Mindestfrequenz mit einer Steigung m
4, die halb so groß wie die Steigung m
1 des Frequenzverlaufes des Chirps A ist.
[0019] Der Frequenzverlauf in Fig. 2b unterscheidet sich von dem in Fig. 2a dadurch, daß
die Frequenzverläufe der beiden Chirps B und C miteinander vertauscht sind. Darüber
hinaus sind weitere Variationen der verschiedenen Frequenzverläufe möglich, da die
einzelnen Chirps A-D unabhängig von einander sind und jeweils einer separaten Auswertung
zugeführt werden.
[0020] In Fig. 3 sind in einem Frequenz-Zeit-Diagramm die Verläufe des Sendesignals s(t)
und des reflektierten Empfangssignals e(t) der Messungen A und B gemäß Fig. 2a wiedergegeben.
Mit L ist die Echolaufzeit, mit Δf
Doppler die Doppelfrequenz bezeichnet. Daraus sowie aus den Frequenzdifferenzen Δf
up und Δf
down ergeben sich für die Relativgeschwindigkeit und den Abstand bzw. die Entfernung die
Beziehung
und
[0021] Ein CW-Radar ist durch die Entfernungsauflösung ΔR, durch die maximale Reichweite
R
max , durch die Auflösung der Geschwindigkeit Δν und durch den Bereich der verarbeiteten
Relativgeschwindigkeit ν
Rel,min bis ν
Rel,max charakterisiert. Dabei sind die beiden relevanten Beziehungen der Radarparameter
zu dem Sendesignal gegeben durch

[0022] Wie bereits in Bezug auf Fig. 2 ausführlich dargestellt worden ist, besteht das Sendesignal
des CW-Radars aus einer Sequenz von linearen Chirps jeweils unterschiedlicher Steigung.
Die Steigung m
i eines einzelnen Chirps i, mit

, wird definiert durch

[0023] Jede nach den Messungen A bis D ausgeführte Fouriertransformation ergibt durch Reflektionen
von Hindernissen begründete Spektrallinien in den jeweiligen Fourierspektren. Ist
die Steigung m
i ungleich 0, so gelten die oben angegebenen Bezeichnungen für k und l, die die Peakposition
κ in Fourierspektrum charakterisieren. Ist die Steigung m
i gleich 0, wie es in den Chirps C in Fig. 2a und B in Fig. 2b der Fall ist, so sind
die durch die Maxima angezeigten Frequenzen gleich den Dopplerfrequenzen der Hindernisse.
Ausgehend von den aufgefundenen Peaks im Fourierspektrum erfolgt die Suche nach potentiellen
Hindernissen in einem Entfernungs-Relativgeschwindigkeits-Diagramm (Fig. 4), wobei
die in den Chirps A-D ermittelten Frequenzen jeweils durch Scharen sich schneidender
Geraden gekennzeichnet sind. Die in Fig. 4 dargestellten Geraden A1, A2 und A3 beziehen
sich auf den Chirp A, die Geraden B1, B2 und B3 auf den Chirp B, die Geraden C1, C2
und C3 auf den Chirp C und die Geraden D1, D2 und D3 auf den Chirp D.
[0024] Die Information aus einem verarbeiteten Chirp

allein ist mehrdeutig. Sie schränkt die Zielkoordinaten des i-ten Ziels lediglich
in einem Freiheitsgrad ein, daß heißt, es gilt die Formel

[0025] Daher werden mehrere Chirps unterschiedlicher Steigung genutzt, um eindeutige Messungen
im Schnittpunkt dieser Geraden zu erreichen. Dazu wird erfindungsgemäß folgendermaßen
vorgegangen.
[0026] Zunächst werden alle idealen Kreuzungspunkte R
i, ν
Rel,i aller Geraden aus den beiden Chirps A und B aus allen gefundenen Frequenzpositionen
κ
1,n bzw. κ
2,p nach den Beziehungen

berechnet. Sämtliche Schnittpunkte kommen als potentielle Hindernisse in Frage, jedoch
ist die Rate der Geisterhindernisse relativ hoch.
[0027] Die im ersten Schritt aufgefundenen Kreuzungspunkte r
i, ν
Rel,i werden durch die aufgefundenen Peakpositionen innerhalb des Chirps C validiert. Dabei
lautet das Validierungskriterium, das in dem Spektrum des dritten Chirps C ein Peak
an der Frequenzposition κ
3,q existiert, für den gilt:

[0028] Daraus ergibt sich die in Fig. 4 dargestellte Situation, daß insgesamt vier Schnittpunkte
H1, H2, H3 und H4 existieren, in denen jeweils drei der Geraden der aus den Chirps
A, B und C ermittelten Peakpositionen zusammenlaufen. Schematisch ist weiterhin in
Fig. 4 zu jedem der Schnittpunkte H1 bis H4 ein Rechteck eingezeichnet, das den ε
1-Umgebungsbereich jedes der Schnittpunkte H1 bis H4 darstellt. Für jeden der Schnittpunkte
H1 bis H4 ist das oben genannte Kriterium erfüllt, da jeweils eine der Geraden C1
bis C3 durch einen der ε
1-Bereiche der Schnittpunkte H1 bis H4 verläuft. Durch den zuvor beschriebenen Validierungsschritt
wird die Anzahl der Geisterhindernisse bereits erheblich reduziert, jedoch ist bei
einer Vielzahl von Hindemissen davon auszugehen, daß der Anteil der Geisterhindernisse
noch zu hoch ist.
[0029] Daher wird erfindungsgemäß aus der Menge der durch die Validierung mit dem dritten
Chirp C als gültig klassifizierten Schnittpunkte durch eine zusätzliche Validierung
mit dem vierten Chirp D nach einem ähnlichen Kriterium auf eine sehr sichere Untermenge
reduziert. Das Validierungskriterium lautet dabei, daß in dem Spektrum des vierten
Chirps D ein Peak an der Frequenzposition κ
4,r existiert, für den gilt:

[0030] Dabei ergibt sich bei dem vorliegenden Ausführungssbeispiel die in Fig. 4 dargestellte
Situation, daß in den ε
2-Umgebungsbereichen der Schnittpunkte H1, H2 und H3 jeweils eine der Geraden D1, D2
und D3 verläuft, die zu Peakpositionen des vierten Chirps D gehören. Dagegen verläuft
keine der Geraden D1, D2 und D3 durch den ε
2-Umgebungsbereich des Schnittpunktes H4, so daß dieser als Geisterhindernis identifiziert
und aussortiert werden kann.
[0031] Die in dieser Weise zweimal validierten Schnittpunkte können dann als eine Menge
mit einem sehr geringen Geisterzielanteil angesehen werden und die entsprechenden
Informationen können in der nachfolgenden Datenweiterverarbeitung ausgewertet werden.
[0032] In bevorzugter Weise liegen die Werte der Parameter ε
1 und ε
2 im Bereich von 0,3 bis 0,7, vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 0,6 und insbesondere
bei 0,5. Dadurch wird sichergestellt, daß eine zuverlässige Validierung gemäß dem
ersten und zweiten Validierungskriterium erfolgt und der Geisterzielanteil an der
Menge der berechneten Schnittpunkte kann auf ein Minimum beschränkt werden. Die Werte
von ε
1 und ε
2 können vorzugsweise gleich groß sein.
1. Radarverfahren zur Messung von Abständen und Relativgeschwindigkeiten zwischen einem
Fahrzeug und einem oder mehreren Hindernissen,
- bei dem ein Sendesignal (s(t)) ausgesandt wird, das mittels eines Oszillators (1)
erzeugt wird und eine Sequenz von linearen Chirps (A, B, C, D) aufweist,
- bei dem gleichzeitig während des Aussendens des Sendesignals (s(t)) ein an den Hindernissen
(5) refektiertes Empfangssignal (e(t)) empfangen wird,
- bei dem das Empfangssignal (e(t)) mit dem Sendesignal (s(t)) in einem Mischer (6)
zur Gewinnung eines Mischerausgangssignals (m(t)) gemischt wird und
- bei dem das Mischerausgangssignal (m(t)) in einer Signalverarbeitungseinrichtung
(9) zum Erhalt von Signalwerten für die Abstände (Ri) der Hindernisse (5) zum Fahrzeug und für die Relativgeschwindigkeiten (νRel,i) zwischen dem Fahrzeug und den erfaßten Hindernissen (5) verarbeitet wird,
- wobei das Mischerausgangssignal(m(t)) zu jedem Chirp (A, B, C, D) des Sendesignals
(s(t)) mit Hilfe einer Fouriertransformation analysiert wird und die Frequenzpositionen
κi der Hindernisse (5) als Peaks im Fouriertransformationsspektrum berechnet werden,
dadurch gekennzeichnet, daß
- eine Sequenz des Sendesignals (s(t)) mindestens vier aufeinanderfolgende Chirps
(A, B, C, D) aufweist, die jeweils Steigungen (m1, m2, m3, m4) aufweisen, die zu denen der anderen Chirps (A, B, C, D) verschieden sind,
- im Entfernungs-Relativgeschwindigkeits-Diagramm die Schnittpunkte (Ri, νRel,i) aller Geraden aus zwei Chirps (A, B) von allen gefundenen Frequenzpositionen κ1,n und κ2,p berechnet werden,
- eine erste Bedingung überprüft wird, ob im Fourierspektrum eines dritten Chirps
(C) ein Peak an einer Frequenzposition κ3,q existiert, deren zugeordnete Gerade im Entfernungs-Relativgeschwindigkeits-Diagramm
einen Umgebungsbereich des Schnittpunktes (R1, νRel,i) schneidet,
- eine zweite Bedingung überprüft wird, ob im Fourierspektrum eines vierten Chirps
(D) ein Peak an einer Frequenzposition κ4,r existiert, deren zugeordnete Gerade im Entfernungs-Relativgeschwindigkeits-Diagramm
einen Umgebungsbereich des Schnittpunktes (Ri, νRel,i) schneidet, und
- die Schnittpunkte (Ri, νRel,i) dann als gültig betrachtet werden, wenn sie beide Bedingungen erfüllen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schnittpunkte (R
i, ν
Rel,i) aller Geraden aus den ersten beiden Chirps (A, B) von allen gefundenen Frequenzpositionen
κ
1,n und κ
2,p nach den Beziehungen

berechnet werden, wobei ΔR die Entfernungsauflösung und Δν die Auflösung der Geschwindigkeit
bedeuten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die berechneten Schnittpunkte (R
i, ν
Rel,i) dadurch überprüft werden, ob im Fourierspektrum eines dritten Chirps (C) ein Peak
an einer Frequenzposition κ
3,q existiert, für die gilt

wobei ε
1 einen Parameter vorgegebener Größe darstellt,
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Schnittpunkte (R
i, ν
Rel,i) dadurch überprüft werden, ob im Fourierspektrum eines vierten Chirps (D) ein Peak
an einer Frequenzposition κ
4,r existiert, für die gilt

wobei ε
2 einen Parameter vorgegebener Größe darstellt.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Werte der Parameter ε1 und ε2 im Bereich von 0,3 bis 0,7, vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 0,6 und insbesondere
bei 0,5 liegen.